全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (10): 1706~1718　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.03961706
收稿 2015-07-21　　修定 2015-09-14
资助 国家自然基金面上项目(31171571)和国家自然科学基金重
大研究计划培育项目(91131008)。
* 通讯作者(E-mail: fengxianzhong@iga.ac.cn; Tel: 0431-
85655051)。
大豆AP2/ERF基因家族的分子进化分析
魏海超1,2, 刘媛1, 豆明珠3, 杨素欣1, 冯献忠1,*
1中国科学院东北地理与农业生态研究所, 大豆分子设计育种重点实验室, 长春130102; 2中国科学院大学, 北京100049; 3山
东师范大学生命科学学院, 山东省高校系统生物学重点实验室, 济南250014
摘要: AP2/ERF类型基因家族在植物发育中起着重要的作用, 本文鉴定了大豆AP2/ERF基因家族, 分析了该基因家族的进化
途径, 研究了其在种子发育过程中的基因表达模式, 并对其功能进行了预测。研究表明: 大豆AP2/ERF家族包括355个基因,
分属于AP2、RAV和ERF三个亚家族; AP2/ERF基因在进化过程中出现了两次较大的分歧; 发现了7个与大豆分化显著相关
的AP2/ERF基因, 利用拟南芥直系同源基因对这些基因的功能进行了预测; 在大豆种子发育的过程中, 该家族基因呈现10
类不同的表达模式, 在种子发育的各个过程中起着不同的作用。
关键词: 大豆; AP2/ERF基因家族; 进化分析; 表达谱分析
Molecular Evolution of AP2/ERF Gene Family in Glycine max
WEI Hai-Chao1,2, LIU Yuan1, DOU Ming-Zhu3,YANG Su-Xin1, FENG Xian-Zhong1,*
1Key Laboratory of Soybean Molecular Design Breeding, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy
of Sciences, Changchun 130102, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3Key Laboratory of
Systems Biology in Universities of Shandong, College of Life Sciences, Shandong Normal University, Jinan 250014, China
Abstract: AP2/ERF gene family plays an important role in the development of plant. In this paper, we identi-
fied the soybean AP2/ERF gene family, analyzed its evolutionary pathway, and studied the expression pattern of
its members during seed development. The results showed that the soybean AP2/ERF gene family contained
355 genes which could be classified into AP2, RAV and ERF three subfamilies, which experienced two diver-
gence events during the soybean evolution. Seven of them were characterized associating with the differentia-
tion between cultivated soybean and wild soybean during the domestication, and their functions were predicted
by their orthologous in Arabidopsis. Ten types of expression pattern of this gene family were revealed by
expression profiles during the seed development of soybean, which play various roles in the seed development.
Key words: soybean; AP2/ERF gene family; phylogenetic analysis; expression profile analysis
在植物界中, AP2/ERF基因家族具有众多的家
族成员, 占植物转录因子的6%~7% (Velasco等
2010)。长期以来, 人们对AP2/ERF基因家族的研
究发现, AP2/ERF基因家族参与了植物发育的许多
重要过程。譬如, 参与花分生组织的建立(Irish和
Sussex 1990; Bowman等1992; Huala和Sussex
1992)、花器官(如花瓣和萼片)属性的决定(Bow-
man等1989; Kunst等1989; Bowman等1991)、抵抗
生物胁迫与非生物胁迫(Kunkel和Brooks 2002;
Chinnusamy等2004; Fujita等2006; 杜磊等2013; 黄
蔚等2014)、调节基因的表达(Ohta等2000, 2001)以
及对乙烯和油菜素类固醇的刺激反应(Alonso等
2003; Hu等2004)等。
AP2/ERF基因家族是植物界中一类含有一个
或多个AP2/ERF结构域的转录因子家族, 每个AP2/
ERF结构域由60~70个氨基酸组成。根据AP2/ERF
结构域的特点, 将其分为AP2、ERF和RAV三个亚
家族(Nakano等2006): ERF亚家族基因含有一个
AP2保守结构域; AP2亚家族基因含有两个AP2结
构域(Riechmann和Meyerowitz 1998; Licausi等
2010); RAV亚家族基因含有一个AP2保守结构域
和一个B3保守结构域(Hu和Liu 2011)。ERF亚家族
根据AP2保守结构域中第14位与第19位氨基酸的
不同分为两个类型, CBF/DREB类和ERF类: CBF/
DREB类基因在AP2保守结构域的第14位和第19位
魏海超等: 大豆AP2/ERF基因家族的分子进化分析 1707
的氨基酸分别是缬氨酸和谷氨酸, 而ERF类基因在
第14位与第19位的氨基酸分别为丙氨酸和天冬氨
酸(Sakuma等2002)。
大豆种子可以提供人类与动物所需的蛋白与
植物油(Biswas等2011; Van Holle和Van Damme
2015), 具有重要的经济价值。随着大豆研究的不
断深入, 对其AP2/ERF基因家族的研究也逐渐增
多: GmERF057可以提高大豆对盐和病原菌的抗性
(Zhang等2008); GmERF3调节大豆生物和非生物
胁迫反应(Zhang等2009); GmSRG参与了大豆种子
发育过程(Niu等2002); GmRAV作为负调控因子调
节大豆的光合作用和衰老(Zhao等2008)等, 但在该
基因家族的全基因水平进行分析的研究尚未见报
道。同时, 随着大豆基因组信息的不断完善, 原有
的基因预测的数量和基因结构发生了较大的变化,
利用最新的数据库对大豆AP2/ERF基因家族进行
分析和鉴定, 将有助于进一步研究该基因家族成
员在大豆生长发育、环境应答和产量品质形成中
的作用。
本文利用PlantTFDB v3.0 (Plant Transcription
Factor Database)最新的数据库(Jin等2014), 对大豆
AP2/ERF基因家族成员进行了鉴定和分类; 对该基
因家族中与野生大豆和栽培大豆分化相关的基因
进行了分析和功能注释; 通过对7个不同表达时期
的大豆种子材料进行转录组分析, 鉴定了大豆种
子不同发育时期及特异时期表达量较高的AP2/
ERF基因, 本研究为了解大豆中AP2/ERF基因的功
能提供了重要的理论基础。
材料与方法
1 AP2/ERF基因鉴定及染色体分布分析
选取PlantTFDB V3.0数据库(Jin等2014)用于
大豆与拟南芥中AP2/ERF基因家族基因的筛选。
利用Pfam网站(Finn等2014)对筛选到的AP2/ERF基
因进行结构域判定(Finn等2014), 去除冗余基因,
在phytozome 10 (http://www.phytozome.net)与
TAIR10 (https://www.arabidopsis.org/)中确定大豆
与拟南芥AP2/ERF基因位置信息, 利用Circos 0.6
(Krzywinski等2009)构建AP2/ERF基因染色体分布
图谱。利用SMART (Letunic等2012)及Weblog 3.4
(Crooks等2004)分析AP2/ERF保守结构域的特征。
利用DNAman version7对序列相似进行比对分析。
2 AP2/ERF基因序列比对与系统发育树构建
将筛选后的拟南芥与大豆AP2/ERF氨基酸全
序列保存为FASTA格式, 利用MEGA5.05进行序列
比对及系统发育树分析(Tamura等2011), 构建NJ
(neighbor-joining)树, bootstrap 1 000次。
3 大豆AP2/ERF分化相关基因鉴定
在NCBI网站上, 下载14个栽培品种及17个野
生品种测序原始数据(登录号SRA020131)。在phy-
tozome网站中获取大豆基因Gmax_275_v2.0.fa。
将NCBI中的SRA数据通过fastq-dump转换成fastq
文件(./fastq-dump --split-files *.sra), 获得用于下一
步分析的文件。利用sickle软件(https://github.com/
najoshi/sickle) (参数: -n -q 20 -l 35 或-n -q 20 -l 20)
对原始序列进行测序质量筛选, 获取高质量的测
序数据。利用bwa-0.7.8软件将筛选后的reads比对
到参考基因组 , 选择默认参数。利用p i c a r d -
tools-1.115 (http://sihua.us/picard.htm)及GATK
(McKenna等2010)对比对后的结果进行SNP及IN-
DELs的筛选。利用GATK将31个测序品种的SNP
进行合并, 通过vcftools_0.1.12b (Danecek等2011)
分析野生及栽培大豆在人工选择中的遗传分化系
数(Fst值)。对得到的Fst值进行筛选, 选取Fst≥0.9
的SNP位点, 结合基因组注释确定人工选择下产生
较大分歧的AP2/ERF基因。
4 AP2/ERF基因表达模式分析
选取大豆种子发育关键的7个部位时期 : 4
DAF (days after flowering)种子, 12~14 DAF种子,
22~24 DAF种子和5~6 mg种子, 5~6 mg子叶, 5~6
mg种皮, 100~200 mg子叶, 400~500 mg子叶以及
1 0 0 ~ 2 0 0 m g种子的转录组 ( N C B I登录号 :
GSE42871) (Jones和Vodkin 2013), 进行AP2/ERF基
因表达模式分析。下载的数据格式为SRA文件, 通
过fastq-dump将SRA数据转换成fastq文件(./fastq-
dump --split-files *.sra), 获得可用于进一步分析的
文件。选用Glycine max v1.1的大豆注释基因组作
为参照, 重新对大豆种子发育时期的表达谱进行
整理, 通过tophat及cufflinks的分析(Trapnell等2009;
Pollier等2013), 筛选得到AP2/ERF基因在不同时期
的表达量(fragment per kilobase of exon model per
million mapped reads, FPKM)。通过对基因组版本
植物生理学报1708
的比较, 得到对应基因的表达数据。将FPKM以
log10为底取对数, 将处理后的数据利用cluster 3.0
及treeview进行K-means聚类及结果分析(de Hoon
等2004)。
5 AP2/ERF基因GO及interpro功能注释
利用Blast2go 3.0对拟南芥、大豆AP2/ERF基
因进行功能注释(Conesa和Gotz 2008), 选取GO及
interpro数据库进行blastp比对, E-value为1e-5。整
合GO及interpro注释结果, 保留level2的注释结果
进行AP2/ERF基因功能注释统计。
实验结果
1 大豆AP2/ERF基因的鉴定
利用PlantTFDB数据库, 提取了大豆与拟南芥
AP2/ERF候选基因, 通过结构域的判定, 最终筛选
到355个大豆AP2/ERF基因、146个拟南芥AP2/
ERF基因。为了确定AP2/ERF基因在染色体上的
分布特点, 构建了大豆、拟南芥AP2/ERF基因在染
色体上的分布图(图1)。其中354个大豆AP2/ERF
基因(图1浅灰色部分)分布在大豆20条染色体上
(其中1个基因处于未完成位置标定的Scaffold中,
因此, 未显示在染色体分布图中); 146个拟南芥
AP2/ERF基因(图1深黑色部分)分布在拟南芥5条
染色体上。在大豆中, AP2/ERF基因在13号染色体
上分布最多, 有30个基因, 在9号染色体上分布最
少, 有11个基因; 而在拟南芥中, 该基因家族在1号
染色体上分布最多, 有50个基因, 在3号染色体分
布最少, 有18个基因。该结果显示, AP2/ERF基因
在同一物种中不同染色体上的分布是不均匀的,
在同一染色体上的分布也是不均匀的, 主要分布
于染色体的两臂上。
2 大豆AP2/ERF基因保守结构域比较分析
利用SMART网站提取了大豆与拟南芥AP2/
ERF家族成员中所包含的保守结构域, 在大豆中得
到399个AP2/ERF结构域, 拟南芥得到160个。对
AP2亚家族基因的2个AP2结构域(AP2-1 domain,
AP2-2 domain), RAV亚家族基因的1个AP2结构域
(RAV-AP2 domain), ERF亚家族基因的1个AP2结
构域(ERF-AP2 domain)进行了保守区域的分析。
大豆中AP2-1结构域相似度为76.49%, 一致序列为
RGVRHRWTGREAHLWD(x)Q(x)KGQ(x)GY(x)
E(x)AA(x)YDAALKYWG(x)NF(x)Y; 拟南芥中
AP2-1结构域相似度为83.56%, 一致序列为RHR-
WTGREAHLWD(x)GQVYLGYDE(x)AA(x)YD-
LAALKYWG(x)NF(x)Y (图2-A)。大豆中AP2-2结
构域相似度为68.13%, 一致序列为YRGV(x)GR-
W(x)K(x)YLG(x)AAAYDAAI(x)G(x)A(x)NF(x)Y;
拟南芥中AP2-2结构域的相似度为65.86%, 一致序
列为YRGV(x)GRW(x)K(x)YLG(x)T(x)AAAY-
DAAI(x)G(x)A(x)NF(x)Y (图2-B)。大豆中RAV-
AP2结构域相似度为88.33%, 一致序列为KKGV-
VQNGWGQIY(x)QRWLGTF(x)EEAAAYDA(x)
R(x)NF(x); 拟南芥中RAV-AP2结构域相似度为
78.10%, 一致序列为KGVVQNGWGAQIY(x)HR-
WLGTF(x)EAA(x)YDA(x)R(x)NF(x) (图2-C)。大
豆中ERF-AP2结构域相似度为59.24%, 一致序列
为(x)GRR(x)EI(x)RWLG(x)AA(x)D(x)G(x)N(x); 拟
南芥中ERF-AP2结构域相似度为55.42%, 一致序
列为(x)GRR(x)G(x)EIR(x)RWLG(x)AA(x)D(x)N(x)
(图2-D)。
通过对大豆和拟南芥中不同类型结构域的比
较发现: 在两个物种之间, AP2-1和RAV-AP2结构
域在氨基酸的长度和序列上, 均有较好的一致性,
而AP2-2和ERF-AP2结构域中则存在较大的差
异。两个物种的AP2-2结构域的差异主要表现在
大豆AP2-2结构域在第7位后面多了8个不保守的
氨基酸, 其余主要位点则基本保持一致, 说明该结
构域的前端有较大的开放性。ERF-AP2结构域两
者的差异性最大, 这与两者包含此类型的结构域
家族成员, 数目众多的情况是一致的。
根据AP2/ERF基因家族保守域的特点, 大豆
AP2/ERF基因家族包含49个AP2亚家族基因、301
个ERF亚家族基因和5个RAV亚家族基因; 而拟南
芥中该家族包含18个AP2亚家族基因、122个ERF
亚家族基因和6个RAV亚家族基因(图3)。大豆与
拟南芥AP2/ERF基因家族成员数目比较发现, 其中
AP2、ERF亚家族基因在大豆与拟南芥中的数目
差异较大(分别为2.7:1, 2.5:1), 基本符合大豆作为
古四倍体其基因的数目是二倍体拟南芥两倍的规
律; 而大豆与拟南芥中RAV亚家族基因的数目非
常接近(1:1.2), 这表明大豆AP2/ERF基因家族中,
RAV亚家族基因与AP2、ERF亚家族基因经历了
魏海超等: 大豆AP2/ERF基因家族的分子进化分析 1709
不同的进化途径。
3 大豆AP2/ERF基因的分子进化分析
为了比较大豆与拟南芥AP2/ERF基因的进化
关系, 以已筛选到的大豆与拟南芥AP2/ERF基因蛋
白全序列构建系统发育树(图3-A)。进化分析显
示, 两个物种中AP2/ERF基因家族成员可以聚类为
13个主要的进化支(图3-B)。以最小分支树中的基
因为直系同源基因(Chervitz等1998; Rubin等2000),
进一步分析了大豆与拟南芥系统发育树的13个进
化枝的关系(图3-C~O)。在AP2, RAV及ERF分支
中, 我们共发现具有直系同源关系的基因共65组
(219个大豆AP2/ERF基因, 104个拟南芥AP2/ERF基
因): 在AP2分支中共有11组具有明显直系同源关
系的基因(其中有8组拟南芥与大豆相比大于1:2,
其余三组为2:2, 2:3, 2:6) (图3-C); 在RAV分支中有
2组直系同源基因(拟南芥与大豆相比为2:1, 4:4)
(图3-D); 在ERF-I分支中共有1组直系同源基因(拟
南芥与大豆相比为4:4) (图3-E); 在ERF-II分支中共
有4组直系同源基因(拟南芥与大豆相比为1:2, 1:3;
1:4; 2:4) (图3-F); 在ERF-III分支中共有3组直系同
图 1 大豆和拟南芥AP2/ERF直系同源基因关系分布图
Fig.1 The distribution diagram of AP2/ERF orthologous genes between soybean and Arabidopsis thaliana
植物生理学报1710
源基因(拟南芥与大豆相比为1:3, 2:3) (图3-G); 在
ERF-IV分支中有4组直系同源基因(拟南芥与大豆
相比为1:2, 1:3, 1:4) (图3-H); 在ERF-V分支中有4组
直系同源基因(拟南芥与大豆相比为1:1, 2:4, 2:5, 3:6)
(图3-I); 在ERF-VI分支中共有6组直系同源基因(拟
南芥与大豆相比为1:1, 1:2, 1:3, 2:4) (图3-J); 在
ERF-VII分支中共有4组直系同源基因(拟南芥与大
豆相比为1:2, 2:2, 2:4) (图3-K); 在ERF-VIII分支中
共有4组直系同源基因(拟南芥与大豆相比为1:2,
1:4, 2:3) (图3-L); 在ERF-IX分支中共有11组直系同
源基因(拟南芥与大豆相比为1:2, 1:4, 1:6, 2:3, 2:4)
(图3-M); 在ERF-X分支中共有4组直系同源基因
(拟南芥与大豆相比为1:4, 2:2, 2:4, 4:4) (图3-N); 在
ERF-XI分支中共有9组直系同源基因(拟南芥与大
豆相比为1:1, 1:2, 1:4, 1:5, 2:3, 2:4, 2:6, 4:4) (图3-O)。
上述结果显示: 大豆与拟南芥两个物种中 ,
AP2/ERF基因之间存在较大的差异, 除了普遍存在
的大豆中基因数目2倍于拟南芥中的直系同源基
因数目外, 也存在1倍、1.5倍、 2.5倍、3倍、4倍
乃至6倍的现象, 说明在大豆中该基因家族发生了
多次的加倍和丢失的现象; 在同一进化支内部, 所
呈现的两个物种中直系同源基因的变化类型, 从1
种(ERF-I分支, 图 3-E)到8种(ERF-XI分支, 图3-O),
说明不同类型的AP2/ERF基因存在不同的进化途
径和进化速度。
4 大豆AP2/ERF分化候选基因的确定及检测
为了解AP2/ERF基因在人工选择过程中的作
用, 利用14个栽培品种与17个野大豆品种全基因
组序列, 对于所获得大豆AP2/ERF基因进行了遗传
分化系数(Fst)的分析(图4)。结果显示, 有7个AP2/
图 2 AP2/ERF结构域不同类型保守结构域
Fig.2 The sites statistic of AP2/ERF conservation domains
A: AP2-1结构域; B: AP2-2结构域; C: RAV-AP2结构域; D: ERF-AP2结构域。
魏海超等: 大豆AP2/ERF基因家族的分子进化分析 1711
ERF基因的11个位点的Fst值大于0.9 (表1), 表明这
7个AP2/ERF基因在野生大豆与栽培大豆中出现明
显的分化。这7个基因分别为: Glyma06g44430.1、
Glyma08g38171.1、Glyma08g38190.2、Gly-
ma10g07740.2、Glyma10g34760.1、Glyma10g42130.1
和Glyma12g12270.2。进一步利用GO、interpro数
据库及拟南芥直系同源基因完成了分化相关基因
的功能注释(表1)。与拟南芥直系同源基因相比,
拟南芥中Glyma08g38190 .2的直系同源基因
AT5G65510 (AIL7)、AT5G10510 (AIL6)和AT5G17430
(AIL2)与根及茎尖分生组织的发育相关(Aida等
2004; Mudunkothge和Krizek 2012); 与Gly-
ma10g07740.2具有直系同源关系的AT2g36450
(HARDY)的过表达可以提高植株对盐及干旱胁
迫的抗性(Abogadallah等2011); 与Glyma10g-
34760.1具有直系同源关系的AT1G25560 (EDF1)、
AT1g68840 (EDF2)、 AT3G25730 (EDF3)和
AT1G13260 (EDF4)参与了乙烯的信号通路(Alonso
等2003; Castillejo和Pelaz 2008), 直系同源基因
AT1g13260 (EDF4)可以引起叶片的衰老(Woo等
2010); Glyma12g12270.2的直系同源基因AT4g28140
促进叶片的衰老(Xu等2010) 。
5 大豆种子发育时期转录组分析
为了确定AP2/ERF基因在大豆种子发育中的
图 3 大豆与拟南芥AP2/ERF基因系统发育树
Fig.3 The phylogenetic tree of AP2/ERF genes between soybean and Arabidopsis thaliana
蓝色线代表旁系大豆基因, 红色线代表拟南芥基因, 黄色节点代表直系同源基因, 绿色节点代表旁系同源基因。
植物生理学报1712
作用, 我们分析了种子发育过程中7个重要部位时
期的转录组数据(Jones和Vodkin 2013)。筛选得到
AP2/ERF基因的基因表达数据, 采用K-means方法
进行聚类, 最终获得10组表达差异亚家族基因(图
5)。聚类结果显示在种子发育过程中, AP2/ERF基
因在不同部位存在特异性表达: 在第I组中, 有19个
基因在12~14 DAF和5~6 mg种子中表达量较高, 在
5~6 mg的子叶中表达量低; 在第II组中, 有17个基因
在100~200mg和400~500mg的子叶中表达量较高;
在第III组中, 有31个基因在12~14 DAF、22~24
DAF、5~6 mg时期有较高表达; 在第IV组中有49个
基因在种子发育时期表达量差异不大; 第V组中,
有23个基因在干燥的种子中有较高表达; 第VI组
中, 有67个基因在4 DAF、12~14 DAF、22~24 DAF、
5~6 mg的种子中表达较高; 在第VII组中, 有34个基
因在12~14 DAF、22~24 DAF、5~6 mg的种子及
100~200 mg和400~500 mg的子叶中表达量较高; 在
第VIII组中, 有23个基因在5~6 mg的种子和子叶、
100~200 mg和400~500 mg的子叶及干种子中表达
量较高, 而在5~6 mg的种皮中表达量较低; 在第IX
组中, 有25个基因在12~14 DAF、22~24 DAF、5~6
mg的种子中表达量较高, 但在5~6 mg的种皮及子
叶中表达量较低; 在第X组中, 有67个基因在所选
的7个不同部位时期中表达量均较低(表 2)。
表 1 与大豆分化相关的AP2/ERF基因
Table 1 The AP2/ERF genes associated with soybean differentiation
基因名(v1.1) 基因名(a2.v1) 类型 位置 Fst值 功能
Glyma06g44430.1 Glyma.06G290000 ERF 47878677 1 非生物及生物胁迫反应
Glyma08g38171.1 Glyma.08G278800 ERF 37683665 1 参与了乙烯的信号通路
Glyma08g38171.1 Glyma.08G278800 ERF 37682790 0.923077 参与了乙烯的信号通路
Glyma08g38190.2 Glyma.08G279000 AP2 37694286 0.930552 与根及茎尖分生组织相关
Glyma08g38190.2 Glyma.08G279000 AP2 37695936 0.919771 与根及茎尖分生组织相关
Glyma10g07740.2 Glyma.10G066900 ERF 6537611 1 提高对盐及干旱胁迫的抗性
Glyma10g34760.1 Glyma.10G204400 RAV 43559165 0.931422 参与了乙烯的信号通路
Glyma10g42130.1 Glyma.10G274600 ERF 49752994 0.928228 未知
Glyma10g42130.1 Glyma.10G274600 ERF 49753594 0.924834 未知
Glyma10g42130.1 Glyma.10G274600 ERF 49752352 0.916126 未知
Glyma12g12270.2 Glyma.12G110400 ERF 10529808 0.904382 叶片的衰老
图 4 野生大豆群体与栽培大豆群体间的Fst值分布图
Fig.4 The distribution of Fst-value between wild soybean and cultivated soybean populations
魏海超等: 大豆AP2/ERF基因家族的分子进化分析 1713
图 5 AP2/ERF基因在大豆种子发育时期的表达谱
Fig.5 The expression pattern of AP2/ERF genes during
soybean seed development
讨　　论
AP2/ERF基因在高等植物的生长发育、应对
外界刺激反应以及基因的调控等方面发挥重要的
作用(张计育等2012)。本研究在全基因组范围内
鉴定了355个大豆AP2/ERF基因家族成员, 其中包
含了三个主要的类型: AP2亚家族、RAV亚家族及
ERF亚家族。大豆与拟南芥AP2/ERF基因保守结
构域的比较分析表明: AP2类型中的两个AP2/ERF
结构域、RAV类型结构域、ERF类型结构域的保
守氨基酸存在差异, 一般均出现在保守域的C段,
但保守域的核心结构均是一致的, 这表明AP2/ERF
基因家族结构的保守性较高。
AP2、RAV及ERF亚家族基因在植物生长发
育中发挥着不同的功能: AP2亚家族基因在植物生
长发育过程中发挥重要的作用(Elliott等1996;
Chuck等1998; Boutilier等2002); ERF亚家族基因在
植物应对生物及非生物胁迫过程中发挥重要作用
(Yamaguchi-Shinozaki和Shinozaki 1994; Thoma-
show 1999; Sakuma等2002); RAV亚家族基因主要
对乙烯和油菜素内酯的刺激产生应答(Alonso等
2003; Hu等2004)。从系统发育树的结果中(AP2分
支、RAV分支、ERF-I~XI分支), 我们发现在大豆
和拟南芥中这些基因是比较保守的, 且表现出大
量的基因加倍现象, 表明其对应蛋白的功能相似,
同时可能出现基因冗余现象。在AP2/ERF基因家
族进化的过程中AP2亚家族基因、RAV亚家族基
因与ERF亚家族基因存在两次主要的分歧事件: 一
次是AP2亚家族基因与RAV亚家族基因的分歧; 另
一次是ERF亚家族基因与AP2和RAV亚家族基因
的分歧。
人工选择在大豆选育过程中发挥了重要的作
用 , 使栽培大豆保留了大量适于人类生活的性
状。通过对野生大豆与栽培大豆分化相关基因的
鉴定, 我们获取了7个明显分化相关的AP2/ERF基
因, 对其功能研究发现, 其参与了大豆生长发育的
主要过程: 野生大豆比栽培大豆对一些非生物胁
迫抗性较高, Glyma10g07740.2和Glyma06g44430.1
与干旱胁迫相关; 野生大豆蔓生, 无限结荚习性,
栽培大豆大部分为有限结荚习性, 而Glyma08g-
38190.2与根、茎顶端的分生组织功能相关等。
通过对种子发育不同时期的转录组进行分析
显示: 在第I组中有19个基因在5~6 mg的种子中有
较高表达量, 而在对应的子叶中表达量较低, 推测
这些基因可能并没有参与胚乳的吸收及水分养料
的积累过程; 第II组中有17个基因在100~200 mg和
400~500 mg的子叶中表达量升高, 推测这些基因
的表达可能参与了营养成分积累及蛋白贮存; 在
第 I I I组中有31个基因在12~14 DAF、22~24
DAF、5~6 mg的时期种子中有较高表达, 推测这
些基因可能主要参与了子叶、胚乳的发育及胚乳
的养分吸收; 在第IV组中有49个基因在种子发育
的所有时期表达量均很高, 推测可能参与了种子
发育的所有过程; 在第V组中有23个基因在种子水
分含量最少的时期表达; 在第VI组中有67个基因
在100~200 mg的种子中表达量低, 推测可能不是
种子发育过程中蛋白质合成过程的主要基因; 在
第VII组中有34个基因可能不在心形胚时期发挥重
要作用; 在第VIII组中有23个基因可能不参与胚乳
植物生理学报1714
表 2 大豆AP2/ERF基因种子发育表达谱聚类分组
Table 2 The cluster groups of AP2/ERF genes during soybean seed development
基因名称 分组
Glyma03g41910.1|ERF I
Glyma08g04550.2|ERF I
Glyma10g07740.2|ERF I
Glyma14g13470.2|ERF I
Glyma03g29681.1|ERF I
Glyma13g30710.1|ERF I
Glyma03g29530.1|ERF I
Glyma01g03110.2|ERF I
Glyma03g41640.1|ERF I
Glyma20g29440.1|ERF I
Glyma08g23074.1|ERF I
Glyma20g31293.1|ERF I
Glyma16g26460.1|ERF I
Glyma13g23570.1|ERF I
Glyma15g01140.1|ERF I
Glyma04g19650.1|ERF I
Glyma13g21570.1|ERF I
Glyma07g14070.2|ERF I
Glyma13g18410.1|ERF I
Glyma07g31995.1|AP2 II
Glyma06g17180.2|ERF II
Glyma06g40011.1|ERF II
Glyma10g07005.1|ERF II
Glyma10g00990.1|ERF II
Glyma19g04461.1|ERF II
Glyma16g05070.2|ERF II
Glyma14g12505.1|ERF II
Glyma02g00890.1|ERF II
Glyma09g05840.1|ERF II
Glyma09g05850.1|ERF II
Glyma15g09190.1|ERF II
Glyma05g29011.1|ERF II
Glyma17g27520.2|ERF II
Glyma18g48741.1|ERF II
Glyma18g48730.1|ERF II
Glyma13g18370.2|ERF II
Glyma01g44140.1|ERF III
Glyma11g01640.1|ERF III
Glyma04g06690.1|ERF III
Glyma06g06780.1|ERF III
Glyma17g33075.1|ERF III
Glyma19g44580.1|ERF III
Glyma07g02380.1|AP2 III
Glyma03g23330.2|ERF III
Glyma15g00660.1|ERF III
Glyma04g43040.2|ERF III
Glyma07g06080.1|ERF III
Glyma06g45010.2|ERF III
Glyma18g02170.1|ERF III
Glyma02g14940.1|ERF III
Glyma10g36300.2|ERF III
基因名称 分组
Glyma18g49761.1|ERF III
Glyma06g07240.3|ERF III
Glyma04g07140.1|ERF III
Glyma10g22390.2|AP2 III
Glyma0041s50.1|AP2 III
Glyma11g04910.2|AP2 III
Glyma08g23630.3|AP2 III
Glyma20g29410.1|ERF III
Glyma05g03560.2|ERF III
Glyma17g14111.1|ERF III
Glyma08g21650.1|ERF III
Glyma07g02001.1|ERF III
Glyma05g35741.1|ERF III
Glyma13g37451.1|ERF III
Glyma11g03910.2|ERF III
Glyma01g41520.1|ERF III
Glyma12g26836.1|ERF IV
Glyma06g35710.1|ERF IV
Glyma06g44430.1|ERF IV
Glyma12g13315.1|ERF IV
Glyma16g00950.2|AP2 IV
Glyma07g04265.1|AP2 IV
Glyma13g00950.1|AP2 IV
Glyma17g07010.1|AP2 IV
Glyma09g36840.2|ERF IV
Glyma13g31010.1|ERF IV
Glyma15g08360.1|ERF IV
Glyma20g16910.1|ERF IV
Glyma12g35550.1|ERF IV
Glyma10g23440.1|ERF IV
Glyma13g34920.1|ERF IV
Glyma17g15460.1|ERF IV
Glyma05g05130.1|ERF IV
Glyma14g29040.2|ERF IV
Glyma09g08330.1|ERF IV
Glyma01g44130.1|ERF IV
Glyma19g40070.2|ERF IV
Glyma10g42130.1|ERF IV
Glyma20g24920.4|ERF IV
Glyma10g02080.1|ERF IV
Glyma09g04630.1|ERF IV
Glyma15g16260.1|ERF IV
Glyma06g11010.1|ERF IV
Glyma14g34590.1|ERF IV
Glyma04g11290.1|ERF IV
Glyma13g01930.1|ERF IV
Glyma19g45200.2|ERF IV
Glyma03g42450.1|ERF IV
Glyma01g43350.2|ERF IV
Glyma18g29400.2|AP2 IV
Glyma12g32400.1|ERF IV
基因名称 分组
Glyma06g45680.1|ERF IV
Glyma12g11150.4|ERF IV
Glyma13g38030.1|ERF IV
Glyma07g04950.6|ERF IV
Glyma01g41527.1|ERF IV
Glyma16g01500.7|ERF IV
Glyma02g01960.1|ERF IV
Glyma03g31640.2|ERF IV
Glyma02g43500.1|ERF IV
Glyma02g46340.1|ERF IV
Glyma14g02360.1|ERF IV
Glyma14g05470.3|ERF IV
Glyma18g10290.1|ERF IV
Glyma13g30990.1|ERF IV
Glyma02g07310.1|ERF V
Glyma10g21850.2|ERF V
Glyma19g29000.1|ERF V
Glyma06g15341.1|ERF V
Glyma20g16920.1|ERF V
Glyma20g30835.1|ERF V
Glyma10g36760.1|ERF V
Glyma08g15350.1|ERF V
Glyma05g32040.1|ERF V
Glyma16g05190.2|ERF V
Glyma17g35860.1|ERF V
Glyma02g08835.1|ERF V
Glyma16g27950.1|ERF V
Glyma04g39510.1|ERF V
Glyma07g19221.1|ERF V
Glyma18g43750.2|ERF V
Glyma06g04490.2|ERF V
Glyma04g04355.1|ERF V
Glyma02g42960.1|ERF V
Glyma14g06080.1|ERF V
Glyma04g03070.2|ERF V
Glyma06g03110.1|ERF V
Glyma12g33020.1|ERF V
Glyma19g36200.2|AP2 VI
Glyma07g37410.1|ERF VI
Glyma17g18640.1|AP2 VI
Glyma01g39520.3|AP2 VI
Glyma11g05720.1|AP2 VI
Glyma19g32380.1|ERF VI
Glyma11g03900.1|ERF VI
Glyma11g02140.1|ERF VI
Glyma08g02460.1|ERF VI
Glyma20g35820.1|ERF VI
Glyma05g37120.1|ERF VI
Glyma06g13040.2|ERF VI
Glyma04g41740.1|ERF VI
Glyma06g11700.1|ERF VI
魏海超等: 大豆AP2/ERF基因家族的分子进化分析 1715
表2 (续1)
基因名称 分组
Glyma17g05240.1|ERF VI
Glyma13g17250.1|ERF VI
Glyma15g19910.2|ERF VI
Glyma16g02680.1|ERF VI
Glyma12g12270.2|ERF VI
Glyma01g43450.1|ERF VI
Glyma10g33700.1|ERF VI
Glyma10g33810.1|ERF VI
Glyma07g33511.1|ERF VI
Glyma08g30716.1|ERF VI
Glyma01g20383.2|ERF VI
Glyma08g14600.1|ERF VI
Glyma05g31370.1|ERF VI
Glyma11g15650.4|AP2 VI
Glyma03g33470.1|AP2 VI
Glyma02g09600.1|AP2 VI
Glyma18g33460.1|ERF VI
Glyma08g46250.4|ERF VI
Glyma14g38610.1|ERF VI
Glyma02g40320.1|ERF VI
Glyma11g31401.1|ERF VI
Glyma01g22260.1|RAV VI
Glyma02g11060.1|RAV VI
Glyma10g34760.1|RAV VI
Glyma08g38190.2|AP2 VI
Glyma04g05080.2|AP2 VI
Glyma06g05170.2|AP2 VI
Glyma17g17010.1|AP2 VI
Glyma08g40831.1|AP2 VI
Glyma19g31960.1|AP2 VI
Glyma02g33090.1|AP2 VI
Glyma03g29240.1|AP2 VI
Glyma17g18580.1|ERF VI
Glyma11g05700.2|ERF VI
Glyma14g09320.1|ERF VI
Glyma01g42500.2|ERF VI
Glyma14g07620.1|ERF VI
Glyma14g22740.1|ERF VI
Glyma09g32730.2|ERF VI
Glyma01g35010.2|ERF VI
Glyma13g43210.1|ERF VI
Glyma04g08901.1|ERF VI
Glyma08g03910.1|ERF VI
Glyma09g27180.2|ERF VI
Glyma17g15480.1|ERF VI
Glyma20g34570.1|ERF VI
Glyma08g43300.1|ERF VI
Glyma15g08370.1|ERF VI
Glyma05g18041.1|AP2 VI
Glyma05g22970.1|AP2 VI
Glyma05g19050.1|ERF VI
Glyma01g39540.1|ERF VI
基因名称 分组
Glyma05g05180.1|ERF VI
Glyma02g08020.1|ERF VII
Glyma13g30720.2|ERF VII
Glyma10g33060.1|ERF VII
Glyma10g00980.1|ERF VII
Glyma07g02930.1|ERF VII
Glyma13g08490.1|ERF VII
Glyma13g44660.2|ERF VII
Glyma14g22970.2|ERF VII
Glyma13g02860.2|ERF VII
Glyma01g44230.2|ERF VII
Glyma03g27050.1|ERF VII
Glyma07g14560.1|ERF VII
Glyma01g13410.1|ERF VII
Glyma05g04920.1|ERF VII
Glyma17g15310.1|ERF VII
Glyma11g02050.1|ERF VII
Glyma10g23460.1|ERF VII
Glyma20g33800.1|ERF VII
Glyma18g51680.1|ERF VII
Glyma07g10116.1|ERF VII
Glyma19g03120.2|ERF VII
Glyma19g03165.1|ERF VII
Glyma17g18610.2|ERF VII
Glyma19g34650.1|ERF VII
Glyma20g32730.1|RAV VII
Glyma01g40380.2|AP2 VII
Glyma18g16236.1|AP2 VII
Glyma10g38440.1|ERF VII
Glyma15g02130.1|ERF VII
Glyma16g32330.1|ERF VII
Glyma17g13320.1|ERF VII
Glyma03g26520.1|ERF VII
Glyma07g14060.1|ERF VII
Glyma09g37780.1|ERF VII
Glyma14g06290.1|ERF VIII
Glyma02g43240.2|ERF VIII
Glyma09g38370.2|AP2 VIII
Glyma18g47980.2|AP2 VIII
Glyma11g01700.1|ERF VIII
Glyma20g33890.1|ERF VIII
Glyma07g03041.1|ERF VIII
Glyma16g26320.1|ERF VIII
Glyma12g07800.1|AP2 VIII
Glyma15g04930.1|AP2 VIII
Glyma13g40470.4|AP2 VIII
Glyma08g24420.1|AP2 VIII
Glyma15g34770.1|AP2 VIII
Glyma15g08560.1|ERF VIII
Glyma08g15830.2|ERF VIII
Glyma01g02760.1|AP2 VIII
Glyma14g10130.2|AP2 VIII
基因名称 分组
Glyma11g14040.1|AP2 VIII
Glyma12g06010.1|AP2 VIII
Glyma17g37350.2|ERF VIII
Glyma06g08990.1|ERF VIII
Glyma03g26437.1|ERF VIII
Glyma03g26480.2|ERF VIII
Glyma08g23160.1|ERF IX
Glyma07g37990.2|ERF IX
Glyma17g02711.1|ERF IX
Glyma15g08580.1|ERF IX
Glyma18g20962.1|ERF IX
Glyma19g44240.1|ERF IX
Glyma16g08683.1|ERF IX
Glyma10g38420.1|ERF IX
Glyma01g42510.1|ERF IX
Glyma11g03790.1|ERF IX
Glyma10g04190.1|ERF IX
Glyma20g34550.1|ERF IX
Glyma02g07460.1|ERF IX
Glyma03g01931.1|ERF IX
Glyma06g29110.2|ERF IX
Glyma17g12330.1|ERF IX
Glyma13g33441.1|ERF IX
Glyma08g38800.2|ERF IX
Glyma05g07690.2|ERF IX
Glyma03g26530.1|ERF IX
Glyma13g18350.1|ERF IX
Glyma10g04210.1|ERF IX
Glyma03g31940.1|ERF IX
Glyma19g43815.1|ERF IX
Glyma03g26394.1|ERF IX
Glyma07g03500.1|ERF X
Glyma08g38171.1|ERF X
Glyma19g27790.2|ERF X
Glyma07g23225.1|ERF X
Glyma15g02900.1|ERF X
Glyma13g21560.2|ERF X
Glyma02g00870.1|ERF X
Glyma02g31350.1|ERF X
Glyma03g26310.1|ERF X
Glyma08g22590.1|ERF X
Glyma19g34661.1|ERF X
Glyma07g13980.2|ERF X
Glyma14g32210.1|ERF X
Glyma04g37866.1|AP2 X
Glyma02g04460.2|ERF X
Glyma08g28835.1|ERF X
Glyma13g28810.2|ERF X
Glyma15g10245.1|ERF X
Glyma07g08542.1|ERF X
Glyma17g33535.1|ERF X
Glyma06g06101.1|ERF X
植物生理学报1716
对养分的吸收; 在第IX组中有25个基因在子叶的
形成过程中发挥重要作用; 在第X组中67个基因可
能在种子发育各时期均不发挥重要作用。上述研
究结果为将来进一步认识AP2/ERF基因在大豆种
子发育过程中的功能提供了线索。
参考文献
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基因名称 分组
Glyma04g06095.1|ERF X
Glyma19g37670.1|ERF X
Glyma03g34970.1|ERF X
Glyma05g03540.2|ERF X
Glyma17g14100.1|ERF X
Glyma03g31912.1|ERF X
Glyma13g18400.1|ERF X
Glyma10g33080.1|ERF X
Glyma03g31930.1|ERF X
Glyma09g05860.1|ERF X
Glyma20g34560.1|ERF X
Glyma13g18330.1|ERF X
Glyma10g04160.1|ERF X
Glyma15g17100.1|ERF X
Glyma15g17090.1|ERF X
Glyma05g33440.1|ERF X
基因名称 分组
Glyma13g05690.2|ERF X
Glyma13g29920.1|ERF X
Glyma08g12130.1|ERF X
Glyma16g27040.1|ERF X
Glyma16g04410.1|ERF X
Glyma20g03890.2|ERF X
Glyma17g31900.1|ERF X
Glyma09g37540.2|AP2 X
Glyma10g33070.1|ERF X
Glyma20g39140.2|RAV X
Glyma06g30840.2|AP2 X
Glyma18g49101.1|AP2 X
Glyma17g07860.1|AP2 X
Glyma02g36880.2|AP2 X
Glyma04g24010.2|AP2 X
Glyma10g31440.1|AP2 X
基因名称 分组
Glyma12g30740.2|ERF X
Glyma11g19341.1|ERF X
Glyma13g39540.1|ERF X
Glyma10g07756.1|ERF X
Glyma12g30710.1|ERF X
Glyma12g09130.1|ERF X
Glyma20g33840.2|ERF X
Glyma18g48721.1|ERF X
Glyma13g18340.1|ERF X
Glyma19g34696.1|ERF X
Glyma19g34670.2|ERF X
Glyma03g31920.1|ERF X
Glyma13g18390.1|ERF X
Glyma10g04170.2|ERF X
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